JP2001020057A - 物理的蒸着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ワーク表面に堆積した物質を除去できる物理
的蒸着方法を提供する。 【構成】 物理的蒸着方法において、蒸着処理中に蒸着
の妨げとなるワーク表面の堆積物を物理的に除去または
移動する方法であって、ワーク表面に不活性ガス、ある
いは、蒸着処理に使用する反応ガスを吹き付け、前記堆
積物を除去または移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物理的蒸着方法に
おいて、蒸着の妨げとなるワーク表面の堆積物を物理的
に除去または移動する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具、金具、機械部品などの表面への蒸
着処理は様々な方法がある。代表的な蒸着法は、物理的
蒸着法と化学的蒸着法に分けられる。物理的蒸着法は真
空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどに
分類される。なかでもイオンプレーティングはコーティ
ング源物質の蒸発方法により、抵抗加熱式、電子ビーム
式、ホローカソード式に分類される。また、プラズマの
励起、維持、粒子のイオン化方法により直流放電式、高
周波励起式、アーク放電式、熱電子励起式などに分類さ
れる。イオンプレーティングはこれらの方法の選択によ
り種々の方法があり様々な特徴を有している。本発明で
は比較的大きな被コーティング物（以下ワークと称す
る）をチャンバー内で処理することが可能なカソードア
ーク式イオンプレーティングを例にとる。

【０００３】カソードアーク式イオンプレーティングは
蒸発源を陰極（以下カソードと称する）として真空中で
のアーク放電によって蒸発させる方式である。基板に負
のバイアスをかけ、金属イオンを加速させる。カソード
表面において放電が局所的に発生し、その部分だけが溶
解して蒸発するが、全体としては溶湯ができないため、
蒸発源を下方に設置する必要がなく自由な位置に取り付
けられる。結果としてカソードアーク式イオンプレーテ
ィングは付き回り性がよい処理方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ワーク表面の
カソードに向いた部分に処理膜が多く付く、反対側は処
理膜厚が薄い、穴部や隙間にはあまり処理膜が付かな
い、といった現象は避けられない。このため、ワーク表
面を他の物質で覆うと、カソードに対し陰ができる。ワ
ーク表面を覆う物質の形状、大きさにより違うが、陰の
部分には膜の蒸着が行われない部分や変色などが発生し
膜が正常に蒸着しない部分が発生する。ワークの使用目
的、処理の必要箇所により異なるが膜に発生するこれら
の欠陥は品質の低下、処理の遅滞、処理の繰り返しなど
が発生する危険を含んでいる。

【０００５】物理的蒸着方法ではチャンバー内で成膜処
理を行うため、ワークに成膜すると同時にチャンバー内
壁へもカソード形成材料が蒸着する。この蒸着物はワー
クに対するものと異なり、電荷がかからないため脆弱で
剥がれやすい物となる。このためチャンバー内は外部か
ら持ち込まれるものとは別に内部で発生するワーク表面
の堆積物が存在する。これらのワーク表面の堆積物は成
膜処理中に発生することからワーク表面に堆積した場合
除去が難しい。

【０００６】したがって、本発明の目的は、ワーク表面
に堆積した物質を除去できる物理的蒸着方法を提供する
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、物理的蒸着方法において、蒸着処理中に
蒸着の妨げとなるワーク表面の堆積物を物理的に除去ま
たは移動する方法であって、ワーク表面に不活性ガス、
あるいは、蒸着処理に使用する反応ガスを吹き付け、前
記堆積物を除去または移動する物理的蒸着方法を採用す
るものである。

【０００８】本発明は、加熱終了時に、前記不活性ガス
としてアルゴンを使用してワーク表面に吹き付けても良
いし、また、蒸着処理中に使用する反応ガスとして、窒
素あるいはメタンなどの炭化水素系のガスをワーク表面
に吹き付けることもできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明が用いられうるカ
ソードアーク式イオンプレーティング装置の概略図であ
る。図１において、ａは真空蒸着チャンバーを示す。チ
ャンバーは閉鎖された内部空間を形成し、このチャンバ
ー内部において基板にコーティングがなされる。通常こ
の基板に工具、金型、機械部品などのワークを取り付け
る。ｂで略示する真空引き装置（真空ポンプ）はチャン
バー内部空間をポートを通して適宜真空引きする。ｃで
略示する反応ガスあるいは不活性ガスは蒸着工程の各段
階においてチャンバー内部にポートを通じて挿入され
る。蒸着源は図のｄで略示される。蒸着源ｄは通常工具
等のワークをむらなくコーティングするため複数個取り
付けられる。また、基板はワークをむらなくコーティン
グするために通常回転可能にチャンバーに配置されてい
る。ｆで略示する吹き付けガス源は、ワーク表面に堆積
した堆積物を除去するためのものである。ｇは吹き付け
ガスをワークに向ける吹き付け管である。

【００１０】蒸着源のターゲット材料としてはチタン、
クロム、ジルコニウム、チタンアルミなどの金属が一般
的によく用いられる。真空に排気されたチャンバー内
で、ターゲットは陽極との間にアークを形成し、プラズ
マ状態でターゲット材料を供給する。ワークをセットし
た基板は通常、陽極となり負の電圧が掛けられる。この
ためターゲット材すなわち蒸発源は強く基板に引きつけ
られる。

【００１１】本発明でのコーティング処理の工程は大ま
かに次のようになる。 １．ワークの挿入、２．チャンバー内真空排気、３．ワ
ークの加熱、４．コーティング、５．ワーク冷却、６．
ワーク取り出し。各工程の内容は以下のようになる。 １．ワークの挿入 チャンバーを大気圧にした状態でワ
ークを基板に取り付け、基板と同電位の状態にする。こ
の際チャンバー内には極力ワーク以外の物は持ち込まな
いようにする。 ２．チャンバー内真空排気 チャンバーを密閉した後、
チャンバー内を所定の真空度まで排気する。排気装置と
しては油拡散ポンプや、ターボ分子ポンプを使用するこ
とが多い。 ３．ワークの加熱 所定の真空度に達した後に加熱を行
う。本発明において引用したカソードアーク式イオンプ
レーティングでは、ヒータ加熱とボンバード加熱が一般
的に使われている。ヒータ加熱はチャンバー内部に取り
付けたヒータから輻射熱でワークの温度を上げる。ボン
バード加熱はアルゴンなどの不活性ガスまたはチタン、
クロムなどのカソード構成材をイオン化し、ワーク表面
にぶつけ温度を上げる。 ４．コーティング ワークの温度が所定温度に達した
後、カソードすなわち蒸発源を作動させながら、反応ガ
スを導入しコーティングを行う。所定膜厚を処理した後
処理を終了する。 ５．ワーク冷却 コーティング処理後チャンバー内を不
活性な減圧雰囲気で保持する。ワークが酸化、熱衝撃に
よる破壊などが発生しない状態まで温度が下がるまで放
置する。 ６．ワーク取り出し ワークをチャンバー外へ取り出
す。

【００１２】ワーク表面の堆積物は、ａ．ワークをチャ
ンバー内に挿入する際に、外部から入った物、ｂ．ワー
クをチャンバー内で支持するための治具から剥がれ落ち
た物、ｃ．チャンバー内壁、またはヒータにコーティン
グ処理中に堆積したカソード構成材料が剥がれ落ちた
物、が考えられる。ａ．のワーク表面の堆積物はワーク
をチャンバー内に挿入する際に有無を確認でき大多数を
除去することができる。ｂ、ｃ．のワーク表面の堆積物
はワークの加熱工程に熱膨張計数の差で剥がれ落ちる物
や、チャンバー内へのガス導入時などの物理的な衝撃で
発生する物である。ｃ．の場合コーティングにより治具
上に成膜した膜が厚膜化し剥がれ落ちる場合もある。こ
れらのワーク表面への堆積物はいずれもワーク表面に物
理的に接触しているものであり、物理的な力で除去が可
能である。

【００１３】しかし、このワーク表面の堆積物はワーク
表面にあることで蒸発源に対しワーク表面に陰を作る。
ワーク表面の堆積物の形状、大きさにより違うが、陰の
部分には膜の蒸着が行われない部分や変色などが発生し
膜が正常に蒸着しない部分が発生する。先述したｂ、
ｃ．のワーク表面の堆積物は成膜処理工程中に発生する
ため、ワークの加熱、コーティング処理中にワーク表面
の堆積物を除去または移動をしなければならない。これ
らの工程は減圧雰囲気で２００℃から５５０℃程度の温
度を伴うため現状では適当なワーク表面の堆積物の除去
方法または移動方法は確立していない。

【００１４】本発明においては膜の蒸着を妨げるワーク
表面の堆積物の除去または移動を加熱処理後にまたはコ
ーティング処理中で行う。ワーク表面の堆積物の除去は
アルゴンなどの不活性ガスまたは当コーティング処理で
使用する窒素、メタンなどの反応ガスまたはその混合ガ
スを使用する。これらのガスをワーク表面の堆積物に吹
き付けることでワーク表面の堆積物の位置を移動させ、
ワーク表面の堆積物によるワーク表面の陰の発生場所を
除去または移動させる。ガスの吹き付ける時期としては
熱膨張により治具またはチャンバー内壁からワーク表面
への堆積物の発生がなくなる加熱終了時から、コーティ
ング終了時までが特に有効である。

【００１５】加熱終了時のガスの吹き付けは注意が必要
である。チャンバー内のガス圧が一定圧力を超えるとカ
ソードと基板間に発生していたアークは不安定になり、
さらにチャンバー内のガス圧が上がるとアークの発生が
できなくなりターゲット材の供給ができなくなる。この
ため吹き付けガス圧が高い場合は吹き付け時間を短くす
るか、吹き付けガス流量を少なくし、チャンバー内のガ
ス圧をコントロールする必要がある。また、ガスの吹き
付け口はワーク表面の堆積物に近いほどより効果があ
る。このため吹き付け口の形状はワーク毎に考慮する必
要がある。

【００１６】コーティング中の吹き付けガスとして窒
素、アセチレンなどの反応ガスを使う場合は通常の反応
ガスと吹き付けガスを兼用して使用することが可能であ
る。この場合吹き付けガスは常に製品表面のワーク表面
の堆積物をとばすこととなる。

【００１７】一方吹き付けガスとしてアルゴンなどの不
活性ガスを使用する場合は反応ガスと吹き付けガスは別
の物となる。この場合は吹き付けガスは必要時のみ使用
することが可能である。

【００１８】（実施例１） メタルソーのＴｉＮ処理例 メタルソーをチャンバー内にボス面を垂直に向けセット
した場合メタルソーの表面に堆積物が被さることがよく
ある。通常メタルソーのコーティングはチャンバー内を
５〜３０ｍＴｏｒｒの圧力の窒素雰囲気にし、チタンを
蒸発させ、ＴｉＮを蒸着する。この場合ワーク表面の堆
積物はコーティング工程中に移動または除去するのが有
効である。本実施例では、窒素雰囲気での蒸着処理中
に、側壁から吹き付け管ｇを介して、３ｋｇ／ｃｍ² の
圧力で、ガス流量４０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃ
ｃ／ｍｉｎ，１ａｔｍ）の窒素ガスを１秒間吹き付け、
この操作を、蒸着処理中に２０回実施した。前記窒素吹
き付け中もチャンバー内の圧力を５〜３０ｍＴｏｒｒに
維持した。その結果得られたメタルソーの表面には、Ｔ
ｉＮ膜の蒸着不良部は発見されず、均等にＴｉＮを蒸着
できた。

【００１９】（実施例２） 切削工具への実施例 切削工具への適用も実施例１同様に行える。ここでは代
表例としてＴｉＮを例にとる。通常切削工具のコーティ
ングはチャンバー内を５〜３０ｍＴｏｒｒの圧力の窒素
雰囲気にし、チタンを蒸発させ、ＴｉＮを蒸着する。こ
の場合ワーク表面の堆積物はコーティング工程中に移動
または除去するのが有効である。一般に切削工具は刃部
のみコーティングが必要となる。このためガスの吹き付
け刃部が中心となる。またチャンバー内でのセットで上
を向いた部分への堆積物の付着が一番多い。このため上
を向いた刃部への吹き付けが有効である。本実施例では
切削工具としてエンドミルを使用した。処理条件は窒素
雰囲気での蒸着処理中に、側壁から吹き付け管ｇを介し
て、３ｋｇ／ｃｍ² の圧力で、ガス流量４０ｓｃｃｍの
窒素ガスを連続で吹き付けた。前記窒素吹き付け中もチ
ャンバー内の圧力を５〜３０ｍＴｏｒｒに維持した。そ
の結果得られたエンドミルの表面には、ＴｉＮ膜の蒸着
不良部は発見されず、均等にＴｉＮを蒸着できた。

【００２０】（実施例３） 金型への適応例 大型の金型などでワーク保持用の治具がワーク周辺特に
上側にない場合、ワーク表面への堆積物はチャンバー内
壁からの物がほとんどとなる。チャンバー内壁の温度上
昇はヒータ加熱時に最高となる。このためチャンバー内
壁の温度変化により温度上昇はヒータ加熱時に最高とな
る。このためチャンバー内壁の温度変化によりコート中
にワーク表面へ堆積物が付くことはほとんどない。この
処理の場合ワークへのガスの吹き付けは加熱終了後コー
ティング処理前に行うことができる。また使用ガスは不
活性のアルゴンでガス圧は真空ポンプの能力を超えない
範囲（油拡散ポンプの場合９０ｍＴｏｒｒ以下）で行え
ばよい。本実施例では、大型の金型を炉内中央部にセッ
トした。ヒータによる加熱後、ボンバード加熱を行いワ
ークの温度を４００℃まで上昇させた後、側壁から吹き
付け管を介して、５ｋｇ／ｃｍ² の圧力で、ガス流量８
０ｓｃｃｍのアルゴンガスを２０秒間連続で吹き付け
た。前記アルゴン吹き付け中もチャンバー内の圧力を９
０ｍＴｏｒｒ以下に維持した。その結果得られた金型必
要部分の表面には、ＴｉＮ膜の蒸着不良部は発見され
ず、均等にＴｉＮを蒸着できた。

【００２１】

【発明の効果】従来コーティング処理中にワーク表面の
堆積物により発生した膜の蒸着が行われない部分や変色
などが発生し膜が正常に蒸着しない部分（以下膜の欠陥
と称する）の処置は大きく以下の２つの方法がある。す
なわち１．処理膜の上から再度コーティングを行う、
２．処理膜を除去した後再度コーティングを行う、であ
る。ワークによっては１、２．に当てはまらず再処理不
可能な場合もある。 １．処理膜の上から再度コーティングを行う場合以下の
スペック上の問題が発生する。すなわち、膜厚の増加、
表面粗度の低下である。また、膜厚の過度の増加は膜の
剥離の危険性を含んでいる。 ２．処理膜を除去した後再度コーティングを行う場合は
表面粗度の低下は避けられない。処理膜の除去方法によ
り表面粗度の低下は様々である。表面状態が悪い場合研
磨が必要となる。これらのことは現在定常的に発生して
おり、処理の効率を落とす原因の１つとして挙げられ
る。本発明の使用で膜の欠陥を減らすことができる。

【００２２】即ち、本発明により、ワーク表面に堆積し
た物質を除去できる物理的蒸着方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明が用いられうるカソードアーク
式イオンプレーティング装置の概略図である。

【符号の説明】

ａ チャンバー ｂ 真空ポンプ ｃ 反応ガス ｄ 蒸発源 ｅ 基板 ｆ 吹き付けガス ｇ 吹き付け管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物理的蒸着方法において、蒸着処理中に蒸
   着の妨げとなるワーク表面の堆積物を物理的に除去また
   は移動する方法であって、ワーク表面に不活性ガス、あ
   るいは、蒸着処理に使用する反応ガスを吹き付け、前記
   堆積物を除去または移動する物理的蒸着方法。
2. 【請求項２】加熱終了時に、前記不活性ガスとしてアル
   ゴンを使用してワーク表面に吹き付けることを特徴とす
   る請求項１記載の物理的蒸着方法。
3. 【請求項３】蒸着処理中に使用する反応ガスとして、窒
   素あるいはメタンなどの炭化水素系のガスをワーク表面
   に吹き付けることを特徴とする請求項１記載の物理的蒸
   着方法。